Siła

Siła jest to fizyczna wielkość wektorowa, obrazująca i "mierząca" oddziaływania między ciałami. Czyli, aby w ogóle mówić o sile musimy mieć co najmniej dwa oddziałujące na siebie ciała. W zależności od rodzaju oddziaływań, wyróżniamy różne rodzaje sił, np. elektrostatyczna, grawitacyjna, ciężkości, tarcia, wyporu, itd. W poprawnym rozumieniu pojęcia siły istotne jest to, że: dopóki pojedyncze ciało nie ma na co lub na kogo oddziaływać, to nie posiada ono siły. W tej sytuacji może posiadać np.: prędkość, pęd, energię, itp., może też stać się źródłem siły, gdy napotka drugie ciało i zacznie na niego wpływać.

Siła jest wektorem, w związku z czym ma cztery cechy: kierunek, zwrot, wartość i punkt przyłożenia. Jest wielkością fizyczną, której działanie można poznać jedynie po jej skutkach, które dzielimy na:

- zmiany stanu ruchu (skutki dynamiczne), np. zmiana wartości prędkości lub jej kierunku, zatrzymanie ciała, czy wprawienie go w ruch, a także pęd ciała,

- odkształcenie ciała (skutki statyczne), czyli zmiany kształtu ciała i jego spójności.

Na rysunkach schematycznych siłę obrazujemy jako strzałkę wektora. Wtedy: zwrot określa grot strzałki, kierunek - poziome, pionowe lub ukośne ułożenie całej strzałki, wartość - długość strzałki od wierzchołka grota do końca strzałki, punkt przyłożenia - to po prostu punkt, w którym zaczepiono wektor.

Siłę oznaczamy przez "F", a liczymy w zależności od sytuacji ze wzorów:

np.:

  • jako przyczynę zmiany prędkości ciała (a wiec powstania przyspieszenia lub opóźnienia): F=a∙m

(II zasada dynamiki Newtona)

  • jako miarę szybkości zmiany pędu ciała: F= ∆p/∆t, gdzie p -pęd, t - czas,
  • jako miarę szybkości wykonywania pracy: F=W/t

Jeżeli nie obserwujemy działania siły, lub jej działanie zupełnie niweluje inna siła o przeciwnym zwrocie działania (siła równoważąca), to ciało pozostaje w spoczynku (jeśli w nim wcześniej było), lub kontynuuje ruch jednostajny prostoliniowy (jeśli wcześniej było w ruchu). Jest to zgodne z treścią I zasady dynamiki Newtona.

  1. Ramię siły

Ramię siły, to pojęcie występujące w ruchu obrotowym ciał. Jest to wektor, którego wartość wyraża odległość linii - kierunku działania siły - od punktu obrotu.

O - punkt obrotu

p - kierunek siły F

r - ramię siły F 

Ramię siły jest zawsze prostopadłe do kierunku siły.

Jeśli punkt obrotu leży na kierunku siły, to ramię siły jest równe zeru.

2. Moment siły

Moment siły M jest to fizyczna wielkość wektorowa, będąca iloczynem wektorowym siły i jej ramienia:

M = F x r,

gdzie F - siła, r - ramie siły, x - oznaczenie iloczynu wektorowego. Wartość momentu siły obliczamy zgodnie z definicją iloczynu wektorowego, a więc wynosi ona:

M = |F|∙|r|∙ sin α, gdzie:

|F| - wartość siły

|r| - długość ramienia siły

α - kąt między wektorem F i r.

Ponieważ ramie siły jest zawsze prostopadłe do kierunku działania siły, to powyższy wzór uprasza się do iloczynu wartości siły i długości jej ramienia (bo sin 900 = 1):

M = |F|∙|r|.

Dlaczego potrzebny jest moment siły? Czy nie wystarczy sama siła?

Moment siły odgrywa bardzo ważne znaczenie w określonych sytuacjach - gdy wartość siły się nie zmienia, ale w zależności od jej przyłożenia powstaje ruch obrotowy, albo nie. Zobaczmy to na przykładzie:

Jeżeli mamy krążek, który może się obracać wokół osi, przechodzącej przez jego środek, to w zależności od tego gdzie przyłożymy do niego siłę, nastąpi lub nie, obrót krążka. Na dodatek może to być obrót w prawo, albo w lewo. (Zakładamy, ze przykładana będzie taka sama siła w każdym punkcie - o tej samej wartości). Jeżeli przyłożymy ją z prawej strony boku krążka i skierujemy w dół, ale prostopadle do promienia, to krążek obróci się zgodnie z kierunkiem wskazówek zegara. Mówimy wtedy, że powstał moment siły o dodatniej wartości, który spowodował obrót. Gdy postąpimy analogicznie po lewej stronie krążka, to również on się obróci, ale przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Dzieje się to dzięki powstaniu momentu siły o wartości ujemnej. A gdy przyłożymy siłę do środka krążka, to nie zaobserwujemy żadnego jego ruchu. Mimo, że działała siła, ciało nie wykonało obrotu - nie powstał moment siły (jego wartość wynosi w tym wypadku 0).

Znak momentu siły może być:

  • dodatni, gdy siła obraca ciało zgodnie z kierunkiem wskazówek zegara
  • ujemny, gdy kierunek obrotu ciała jest przeciwny
  • jest równy zeru, gdy linia działania siły przechodzi przez punkt obrotu.

Wektor momentu siły jest prostopadły do płaszczyzny wyznaczonej przez wektor siły i wektor jej ramienia. A jego zwrot określa reguła śruby prawoskrętnej (jeżeli obracamy wektor r w kierunku wektora F, to wyznaczamy kierunek obrotu zgodny/niezgodny z kierunkiem ruchu wskazówek zegara. Jeżeli we wskazanym kierunku obrócimy śrubę prawoskrętną, to będzie się ona wkręcać/wykręcać w kierunku określającym zwrot wektora M).

Podsumowując: Moment siły względem punktu obrotu jest wektorem prostopadłym do płaszczyzny, w której leży ten punkt i linia działania siły F.

Jednostką momentu siły jest: [M] = 1N ∙ 1mniutonometr. Mimo, iż identycznie wyraża się wartość J - dżula, to jednak dla rozróżnienia jednostkę momentu siły zawsze określa się jako niutonometr.

3. Siła wypadkowa

Na ciało może działać kilka sił równocześnie. W takim przypadku nazywamy je siłami składowymi.

Siłę, która jest wektorową sumą wszystkich sił składowych, zastępuje ich działanie i nazywana jest siłą wypadkową. Skutek jej działania niczym się nie różni od skutku działania sił składowych, a jej pojawienie się znacznie ułatwia analizę tych skutków, wykonywanie obliczeń i rysunków. Poszukiwanie siły wypadkowej nazywa się składaniem sił. A oznaczenie siły wypadkowej, to: Fw.

4. Siła równoważąca.

Siłę, która równoważy działanie innych sił (czyli działanie ich siły wypadkowej) nazywamy siłą równoważącą. Jest to siła niwelująca (zerująca) działanie siły wypadkowej.

Siła równoważąca odgrywa szczególne znaczenie w I zasadzie dynamiki Newtona, która mówi, że: jeżeli na ciało nie działa żadna siła, albo działające siły się równoważą, to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym.

Oznaczenia:

Fw - siła wypadkowa

Fr - siła równoważąca

Siła równoważąca musi spełniać trzy warunki:

- wartość siły równoważącej musi być równa wartości siły wypadkowej

- kierunek siły równoważącej jest taki sam, jak kierunek siły wypadkowej

- zwrot siły równoważącej jest przeciwny do zwrotu siły wypadkowej.